一种基于偏振差分放大图像处理的漂浮危化品检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于偏振差分放大图像处理的漂浮危化品检测方法，获取多个角度的偏振光方向的漂浮危化品图像，对图像进行RGB三通道分离，选取平均灰度值最大与最小的蓝色通道图进行差分放大，获得偏振差分放大图像；采用边缘检测分割法对偏振差分放大图像进行边缘识别，利用根据漂流方向的定向拟合法拟合不封闭边缘，提取所有连通区域；获取所有连通区域的偏振图像特征参数，利用神经网络模型训练法，实现危化品区域与其它近似区域的分类；本发明专利技术充分利用了无色危化品的偏振特征以及扩散形状特征，创造性地克服了漂浮危化品因为无色而难以进行成像检测的难题，为危化品水上运输突发事故的应急检测以及偷排现象监测提供了快速有效的解决途径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于偏振差分放大图像处理的漂浮危化品检测方法
本专利技术涉及一种漂浮危化品检测方法，尤其涉及一种基于偏振差分放大图像处理的漂浮危化品检测方法。
技术介绍
随着世界化学工业的发展，近20年来的危化品运输量大幅增长。危化品庞大的水上运输量，增加了重大污染事故的风险。危化品水上泄露事故主要来源于水上运输事故以及工厂排污，具有突发性和偶然性，造成了应急处理的艰巨性，对生态系统以及公共安全带来了严重的潜在威胁。目前危化品的检测研究中，使用较多的是色谱法、分光光度法和电化学法等较为敏感和准确的分析技术。这些方法大多需要精密的仪器、繁琐的抽样过程，这限制了它们应用到泄漏事故现场的应急处理上。危险化学品突发事故的现场应急检测，需要快速确定漂浮危险化学品的位置、泄露面积和分布以采取相应的分级预警及应急处理措施，因而对检测手段在位置、范围及分布的信息获取上的效率上提出了较高要求。自动化成像检测技术是一种快速、灵活和安全可靠的技术，在突发事故应急处理、环境监测上具有巨大的潜力和优势。目前，溢油事故应急检测方面已有采用成像检测技术的报道。中国专利CN106370307A公布了一种利用垂直偏振与水平偏振的差分放大热红外图像提取边缘的水面溢油成像探测方法与装置；中国专利CN105844298A公开了一种基于FuzzyARTMAP神经网络的高光谱溢油影像分类方法；中国专利CN103236063A公开一种基于多尺度谱聚类及决策级融合的SAR图像溢油检测方法。然而，相对于溢油检测，危化品(如苯、甲苯、二甲苯等)常为无色液体，与水的颜色差异远比溢油小，使用常规的图像处理及分类方法无法进行有效检测，其有效的成像检测技术目前在国内外的研究中鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术旨在针对现有技术的不足，提供一种基于偏振差分放大图像处理的漂浮危化品检测方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于偏振差分放大图像处理的漂浮危化品检测方法，该方法包括以下步骤：(1)获取多个角度的偏振光方向的漂浮危化品图像；(2)获取偏振差分放大图像：将各个角度的偏振光方向图像进行RGB三通道分离，选取各个角度的偏振光方向图像中平均灰度值最大与最小的蓝色(B)通道图进行差分放大，获得偏振差分放大图像；(3)区域提取：采用边缘检测分割法对偏振差分放大图像进行边缘识别，并利用根据漂流方向的定向拟合法拟合不封闭边缘，提取所有连通区域；所述定向拟合法具体为：首先通过连续获取同一水域位置的两张图片，从第一张图片中提取特征点，并统计第二张图片中与第一张图片所提取特征点的相似度最大的点位置，将这些点位置映射标记于第一张图中，由特征点指向映射标记点的方向即为水域漂流方向，对边缘识别结果中的所有残缺边缘使用基于椭圆拟合法进行拟合，其中所拟合的椭圆弧的短轴方向为水域漂流方向，当水域处于无明显漂流方向的静止状态时，以圆拟合法拟合残缺边缘；(4)区域分类：获取步骤(3)提取的所有连通区域的偏振图像特征参数，利用神经网络模型训练法，实现危化品区域与其它近似区域的分类；(5)图像拼接：通过基于偏振图像特征的拼接算法不断拼接处理图像从而获得漂浮危化品区域分布全景图；所述基于偏振图像特征的拼接算法具体为：首先利用图像像素值a、偏振度b、偏振方位角c等信息对偏振图像中的特征点进行描述，接着计算一张图像与其待拼接图像的所有特征点之间的相似度d，找到两两相似度最大的特征点进行配对，然后进行映射拼接，并对拼接图进行矫正以及平滑处理；其中，两个特征点之间相似度的计算公式如下：其中，ai、bi、ci分别为第i个特征点的图像像素值、偏振度、偏振方位角，aj、bj、cj分别为第j个特征点的图像像素值、偏振度、偏振方位角。进一步地，所述步骤(1)中，通过液晶可调谐偏振镜、机械旋转偏振片或偏振棱镜结合成像相机的方式获取漂浮危化品图像。进一步地，所述步骤(2)中，通过将90度偏振光方向B通道图像与45度偏振光方向B通道图像的差分放大处理，获得偏振差分放大图像。进一步地，所述步骤(4)中，偏振图像特征参数包括区域偏振度、区域偏振方位角、区域偏振和值、区域偏振差值以及该区域在其它多个角度的偏振光方向图像中的像素均值。进一步地，该方法通过包含无人机平台、偏振成像系统、电控三维云台、通讯模块、控制模块和上位机的漂浮危化品检测系统来实现；所述无人机平台包括无人机、GPS定位模块、IMU惯性测量单元和电源系统；所述偏振成像系统包括成像传感器和偏振模块，用于采集多个角度的偏振光方向的漂浮危化品图像；所述电控三维云台用于调节偏振成像的观测几何；所述通讯模块用于传输图像以及上位机指令；所述控制模块用于根据指令进行成像及系统控制；所述上位机用于偏振图像处理及系统控制。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术针对漂浮危化品因为无色而难以进行成像检测的难题，对多个角度的偏振光方向图像中平均灰度值最大与最小的蓝色(B)通道图进行差分放大处理，充分利用了危化品的反射特征以及偏振特征突出水面的危化品，为无色漂浮危化品的成像检测提供了一种创新可行的途径。2、本专利技术提供的方法利用了危化品在受漂流影响的扩散形状因子特征对提取的危化品边缘进行定向拟合，创造性地克服了危化品因为颜色特征与水体差异小而在图像处理中容易丢失有效区域信息的问题。3、本专利技术提供的方法通过引入与危化品自身性质和光学基本定律密切相关的偏振特征参数进行危化品区域与近似目标区域的分类，解决了无色漂浮危化品成像检测中的干扰区域多的问题。4、本专利技术针对漂浮危化品水面图像特征差异小的问题，提供了结合偏振特征以及普通图像特征的相似度权重法进行图像拼接，更为准确有效地得到漂浮危化品的区域全景分布图，为后续的应急抢救分级预警及措施安排提供了便利。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。图2为水与二甲苯反射光谱曲线示意图；图3为利用本专利技术方法进行偏振图像差分放大处理的示例图，其中(a)为I45偏振示例图，(b)为I90偏振示例图，(c)为偏振差分放大示例图；图4为实现本专利技术方法的一种漂浮危化品检测系统示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。以对水上运输常见的无色危化品二甲苯进行检测为例，来详细说明本专利技术方法的实现过程(见图1)：S1、偏振图像获取：使用成像相机前加线偏振片的组合设备进行偏振图像获取，将线偏振片在0°至90°偏振光方向范围内每旋转5°对待检测区域获取一个偏振图像。S2、偏振图像差分放大处理：通过文献调研与实验验证，常见漂浮危化品在接近紫外波段时比水具有差异更明显的反射率。如图2所示，二甲苯与水在蓝通道(435.8nm)的反射率差距比绿通道(546.1nm)以及红通道(700.0nm)更大，利用这一反射差异特征，对普通RGB图像中的蓝通道图像进行提取更易于辨别危化品。对S1获取的偏振图像进行RGB三通道分离，经统计，漂浮二甲苯在90度偏振光方向的B通道图像I90和45度偏振光方向的B通道图像I45是平均灰度值最大以及最小的图像，进行差分放大放大处理，最能凸显二甲苯区域，处理效果如图3所示，其中偏振差分放大图像I为：I＝2*(I90-I45)S3、区域提取：采用传统的边缘检测分割法对偏振差分放大图像进行边缘识别，得到初步的边缘信息；国外学者Fay与Lehr等人对海面油本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于偏振差分放大图像处理的漂浮危化品检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)获取多个角度的偏振光方向的漂浮危化品图像；(2)获取偏振差分放大图像：将各个角度的偏振光方向图像进行RGB三通道分离，选取各个角度的偏振光方向图像中平均灰度值最大与最小的蓝色(B)通道图进行差分放大，获得偏振差分放大图像；(3)区域提取：采用边缘检测分割法对偏振差分放大图像进行边缘识别，并利用根据漂流方向的定向拟合法拟合不封闭边缘，提取所有连通区域；所述定向拟合法具体为：首先通过连续获取同一水域位置的两张图片，从第一张图片中提取特征点，并统计第二张图片中与第一张图片所提取特征点的相似度最大的点位置，将这些点位置映射标记于第一张图中，由特征点指向映射标记点的方向即为水域漂流方向，对边缘识别结果中的所有残缺边缘使用基于椭圆拟合法进行拟合，其中所拟合的椭圆弧的短轴方向为水域漂流方向，当水域处于无明显漂流方向的静止状态时，以圆拟合法拟合残缺边缘；(4)区域分类：获取步骤(3)提取的所有连通区域的偏振图像特征参数，利用神经网络模型训练法，实现危化品区域与其它近似区域的分类；(5)图像拼接：通过基于偏振图像特征的拼接算法不断拼接处理图像从而获得漂浮危化品区域分布全景图；所述基于偏振图像特征的拼接算法具体为：首先利用图像像素值a、偏振度b、偏振方位角c等信息对偏振图像中的特征点进行描述，接着计算一张图像与其待拼接图像的所有特征点之间的相似度d，找到两两相似度最大的特征点进行配对，然后进行映射拼接，并对拼接图进行矫正以及平滑处理；其中，两个特征点之间相似度的计算公式如下：...

【技术特征摘要】
1.一种基于偏振差分放大图像处理的漂浮危化品检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)获取多个角度的偏振光方向的漂浮危化品图像；(2)获取偏振差分放大图像：将各个角度的偏振光方向图像进行RGB三通道分离，选取各个角度的偏振光方向图像中平均灰度值最大与最小的蓝色(B)通道图进行差分放大，获得偏振差分放大图像；(3)区域提取：采用边缘检测分割法对偏振差分放大图像进行边缘识别，并利用根据漂流方向的定向拟合法拟合不封闭边缘，提取所有连通区域；所述定向拟合法具体为：首先通过连续获取同一水域位置的两张图片，从第一张图片中提取特征点，并统计第二张图片中与第一张图片所提取特征点的相似度最大的点位置，将这些点位置映射标记于第一张图中，由特征点指向映射标记点的方向即为水域漂流方向，对边缘识别结果中的所有残缺边缘使用基于椭圆拟合法进行拟合，其中所拟合的椭圆弧的短轴方向为水域漂流方向，当水域处于无明显漂流方向的静止状态时，以圆拟合法拟合残缺边缘；(4)区域分类：获取步骤(3)提取的所有连通区域的偏振图像特征参数，利用神经网络模型训练法，实现危化品区域与其它近似区域的分类；(5)图像拼接：通过基于偏振图像特征的拼接算法不断拼接处理图像从而获得漂浮危化品区域分布全景图；所述基于偏振图像特征的拼接算法具体为：首先利用图像像素值a、偏振度b、偏振方位角c等信息对偏振图像中的特征点进行描述，接着计算一张图像与其待拼接图像的所有特征点之间的相似度d，找到两两相似度最大的特征点进行配对，然后进行映射拼接，并对拼接图进行矫正以及平滑处理；其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄慧，张德钧，王超，詹舒越，王杭州，宋宏，王晓萍，贺双颜，徐志伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33